壮丽70年:新中国医学力量
上QQ阅读APP看书,第一时间看更新
中国人工全合成牛胰岛素,永被铭记的历史——我们闯过了许多异乎寻常的难关,做了前人所没有做的事情
如今人们对胰岛素并不陌生,但在20世纪50年代,人工合成蛋白质还是一座从未有人攀登上的科学高峰。1958年,在国民经济基础和科研条件还十分薄弱的情况下,我国的科学工作者敢于大胆设想,提出合成一个结构复杂、具有生物功能的蛋白质——胰岛素。在党和国家的大力支持下,组织国内不同学科、不同单位的研究人员协作,1965年9月17日,在历经6年9个月的艰辛之后,中国科学院上海生物化学研究所(生化所)、上海有机化学研究所(有机所)和北京大学化学系的科学家们成功获得人工合成的牛胰岛素结晶。
这不仅开创了人工合成蛋白质的新纪元,对我国随后的生物大分子研究起了积极的推动作用,还充分体现了团队协作的集成优势,展示了老一辈科学家们锐意创新、追求卓越、敢为人先的民族气概,同时也证明了我国在尖端科研领域与西方发达国家可以一决高下,极大地增强了民族自豪感。
今天,让我们共同翻开历史的那一页……
1966年,中国科学院郭沫若院长接见参加人工合成胰岛素工作的同志
一、提出并且确立人工全合成牛胰岛素项目
1958年夏天,在一个由中国科学院上海生化所王应睐、邹承鲁、曹天钦、沈昭文、钮经义、王德宝、周光宇、张友端、徐京华等9人参加的高级研究组讨论会上,大家正在热烈地讨论着下一阶段的工作提案。突然,不知是谁喊出了这么一句话:“合成一个蛋白质!”七嘴八舌的声音一下子停了下来,大家都被这一提议所吸引了。
那么,究竟合成什么蛋白质呢?当时已经确定了一级结构的蛋白质只有胰岛素一种,没有别的选择。
1958年9月,蛋白质专家钮经义受命率领黄维德、陈常庆、许根俊、王尔文等人,以合成催产素的方式练兵,体验一下多肽合成、分析、鉴定等工作的实践和难度。幸运的是,10月份他们就获得了具有生物活性的催产素粗制品。不久,北京大学生物系也开展了这方面的工作并获得成功。
1958年12月,生化所邀请北京大学等单位,在所内举行了胰岛素文献报告会,王应睐主持会议,详细分析了人工合成胰岛素的重要性、现实性,探讨了研究的方案。1958年12月18日,生化所最终确定了人工合成胰岛素的课题。
二、天然胰岛素拆合突破,进而确定合成策略
1959年1月,胰岛素人工合成工作正式启动。生化所建立了以副所长曹天钦为组长的五人领导小组(曹天钦、王芷涯、张友尚、陈常庆、杜雨苍)来领导胰岛素合成工作,他们采用“五路进军”“智取胰岛”的方案:一路是有机合成,由纽经义负责;二路为天然胰岛素的拆合,邹承鲁负责;三路的任务是建立肽库和分离分析技术,由曹天钦负责;四路和五路分别做酶激活和转肽的工作,由沈昭文负责。经过实践,三、四、五三条路线被否定,兵力集中于一、二两条路线和分离分析工作。
胰岛素的人工合成是一个工作量极大的科研工作,生化所既缺乏有机合成方面的经验,人手又不够,于是他们找了中国科学院上海有机化学研究所和北京大学。为了进一步明确分工,1959年3月9日,曹天钦和邹承鲁、王芷涯、钮经义、鲁子贤等五人到了北京大学,他们代表生化所和北京大学拟订了正式的合作协议,决定由北大有机教研室负责胰岛素A链的合成;生化所负责胰岛素B链合成以及A、B链的拆合,北大生化教研室参与生化所负责的部分工作等。北大有机教研室的相关工作由张滂教授负责——他任研究组组长,教研室主任邢其毅教授和副系主任文重也负责此事。
(一)自主生产氨基酸,胰岛素合成第一步
当时我国没有任何蛋白质合成方面的经验,除了制造味精之外,甚至没有制造过任何形式的氨基酸,构成胰岛素所需的17种氨基酸,都需要进口,更不用说比氨基酸更加复杂的多肽合成,一切都是从零开始。
陆德培,1956年毕业于北京大学化学系,留校任教,从事有机化学教学和研究工作。
1959年4月6日之后,在邢其毅、张滂指挥下,研究生季爱雪、周淑贤、单书香、陆得漳,青年教师徐端秋、伍少兰、陆德培及一位进修教师分成四个小组(A链分成四个片段),带领有机专业的一些应届毕业生以毕业论文的方式开展合成研究。据陆德培回忆,当时教研室安排他带领三位复员转业军人到上海生化所学习分离制备氨基酸。生化所在岳阳路320号大楼三层的走廊里安装了一套简易的装置,在钮经义教授和林南琴的热情帮助下,陆德培等很快掌握了氨基酸的分离技术。钮先生还带他们观摩了汪静英教授从鱼精蛋白中分离精氨酸的工作,这给了陆德培很大启示。如何从天然蛋白质中分离提取A链中所需且价格昂贵的氨基酸(如丝氨酸,时价150元/克)呢?陆德培在上海市场上买了一点很便宜的丝厂下脚料丝棉头带回北京,准备分离提取丝氨酸。回北大后,他们在校办化工厂建立了试剂车间,进行氨基酸生产。然而刚开始正常运转,就遇上1959年下半年国民经济调整,氨基酸生产不得不停滞。而上海生化所氨基酸的研发工作,由实验室逐步发展壮大,建成了国内著名的东风生化试剂厂,不仅满足了胰岛素合成的部分需要,而且为国内生化研究提供了多种生化试剂,推动了我国生化研究的开展。
(二)天然胰岛素拆合成功,确定了全合成胰岛素的研究策略
人工合成胰岛素的关键科学问题之一是“三对二硫键能否正确连接形成有活性的蛋白质构象”。
刘望夷,1960年北京大学生物系生物化学专业毕业,1965年中国科学院上海生物化学研究所研究生毕业,1959—1960年在邹承鲁先生指导下在胰岛素二硫键拆合组学习做实验。
1959年2月寒假结束后,刘望夷读四年级下学期,开学后区乐昌(助教)先生带领几个同学从北京来到上海生物化学研究所,在实验室参观学习三天,大开眼界,很多实验用品都是闻所未闻,见所未见。3月,区乐昌先生又带领刘望夷和程明哲第二次来到生化所。当时的拆合组实验工作主要在三楼一间向南的大实验室,其组员有杜雨苍、徐琴钰、许根俊、殳邦英、鲁子贤和张友尚,他们各自都有与拆合有关的课题。一次,邹先生在实验室看到刘望夷正在用一支较大的玻璃吸量管吸取5mol/L的氢氧化钠(NaOH)溶液。邹先生当场严肃地批评刘望夷:“你这样用嘴吸取浓的NaOH,吸到嘴里要烧伤你的口腔,应该用橡皮球吸取!”刘望夷感到非常尴尬,但他知道,邹先生是出于爱护学生才批评自己的,这件事也使他终生难忘。
胰岛素的二硫键拆合工作经过几个月的摸索,不断改进实验条件,约在1959年5月,使用经氧化还原、离子交换或电泳得到的纯A、B链重合成胰岛素终于获得成功,为人工合成牛胰岛素的研究解决了第一个关键问题。1960年1月,在全国第一次生化学术会议上,邹承鲁小组的年轻科学家杜雨苍代表全组发表了天然牛胰岛素拆合研究的研究成果,震惊了参会的所有人,但由于当时保密需要,这个重大研究成果并没有在国际上发表,也使之与诺贝尔奖擦肩而过。
(三)团结的集体,领导的关怀
人工合成胰岛素的另一关键科学问题是“能否有机合成长度达21个氨基酸的A肽链和长度达30个氨基酸的B肽链”。生化所在1959—1960年间已将胰岛素B链的所有30个氨基酸分别连接成了各种合成肽,最长已达到10个氨基酸的长度。
张申碚,1958年进入中国科学院上海生化所工作。在人工合成结晶牛胰岛素工作时任上海生化所研究实习员,参与胰岛素B链(30肽)的合成工作。
张申碚十分幸运,一踏上工作岗位就来到生化所的蛋白质多肽合成组。这个研究组承担了胰岛素B链(30肽)的合成工作,是一个非常值得怀念的集体。在这个集体中,不管是研究员还是见习员,都平等相处、互相帮助,所做的工作得到大家的尊重。张申碚还回忆起参加1960年聂荣臻元帅接见人工合成胰岛素全体工作人员的会议和出席上海市招待中国科学院全体院士(当时称学部委员)的宴会。接见安排在上海友谊电影院的大会议室,时间不长,但很隆重,那也是张申碚第一次见到这样大的场面。
三、重新启航,攻克科学难题
有机合成胰岛素的A、B肽链涉及大量的实验设计,非简单堆肽可成。几个月“大兵团作战”的规模性探索,最终没能合成出胰岛素的A、B肽链。
1961年,中国科学院经过一段时间的深入调研后,根据工作需要,精简团队。1963年,生化所和有机所与北京大学重启合作,生化所于1964年8月成功合成了30个氨基酸的牛胰岛素B肽链,其后与天然胰岛素的A肽链重组折叠获得了活性胰岛素;有机所与北京大学于1965年5月成功合成了21个氨基酸的牛胰岛素A肽链,由生化所将其与天然B肽链重组折叠获得活性胰岛素。
这也标志着人工合成牛胰岛素的研究工作进入到了最后阶段——A链和B链成功连接产生出与天然牛胰岛素相同的蛋白质。
最后合成A链和B链的重担压到了杜雨苍的肩上。1965年9月3日,杜雨苍完成了A链与B链的人工全合成实验。合成物冷藏14天后,1965年9月17日清晨,杜雨苍小心翼翼地采集了一份样品,采用高倍显微镜检验合成结果,项目组所有人都在翘首企盼奋斗了六年多的结果揭晓。
四、这个完美的六面体晶体,就是人工合成的牛胰岛素
显微镜下,一个个完美的六面体结晶体晶莹透明,像宝石一样在透明的溶液当中闪闪发光。“我看到了,完美的结晶,我成功了!”当杜雨苍抑制不住内心的喜悦喊出看到结晶时,整个实验室沸腾了,每个人脸上洋溢着幸福。参与合成工作的龚岳亭先生回忆说:“当小白鼠开始抽筋乱跳的时候,整个实验室在场的人们都开始欢呼起来,情不自禁地拥抱庆祝,那实在是一个无法用语言来形容的激动时刻。”
自此,人工合成牛胰岛素研究圆满完成。1965年11月,这一重要研究成果首先以简报形式在《科学通报》《中国科学》上分别以中英文发表,并于1966年4月全文发表。
人工合成牛胰岛素结晶
五、人工全合成牛胰岛素是生命科学前沿的里程碑式成果
中国人工合成牛胰岛素在国内反响热烈,同时更是得到了国际同行们的认可,这项重大的科学成果,为造福人类、保障生命健康作出了巨大贡献,这也是给予参与人工合成牛胰岛素研究的科学家们最高的荣誉。
1966年4月4日,王应睐、邹承鲁和龚岳亭应邀出席在华沙召开的欧洲生化联合会第三次会议,龚岳亭代表我国在会上作了人工牛胰岛素全合成的学术报告。与会的美、英、法、意、荷、比利时、挪威、瑞典、芬兰、奥地利等国的著名科学家热烈祝贺我国科学家取得的重大成果。会后数年间,来生化所参观的科学家络绎不绝。
1966年,诺贝尔奖委员会主席蒂斯尤利斯专程来华到生化所参观,他说“你们第一次人工合成胰岛素令人兴奋,向你们祝贺……”《瑞典日报》引用他的话说,“人们可以从书本中学到制造原子弹,但不能从书本中学到制造胰岛素。”学术刊物《科学》登载了数页的长评,还详细介绍了从欧美学成归国的各位学术带头人。
1966年12月24日,《人民日报》在头版头条刊登《我国在世界上第一次人工合成结晶胰岛素》一文,并发表社论《用毛泽东思想打开“生命之谜”的大门》,高度赞扬了人工合成胰岛素工作。1979年12月,国务院向人工全合成结晶牛胰岛素研究组颁发嘉奖令。1982年7月,国家自然科学奖在断评20多年后再度开评,人工合成胰岛素工作获“国家自然科学一等奖”。证书上把钮经义、龚岳亭、邹承鲁、杜雨苍、季爱雪、邢其毅、汪猷、徐杰诚等八人列为主要完成人。1997年9月,中国香港求是基金会给人工合成胰岛素工作组颁发了“杰出科技成就集体奖”。除上述八人外,陆德培也作为主要完成人被增补了进来。2009年国庆60周年大阅兵,“人工全合成结晶牛胰岛素”作为唯一生命科学成果接受检阅。
除集体奖外,相关研究、组织人员也部分因为胰岛素工作而获得过一些重要奖项。例如1988年,王应睐在美国迈阿密生物技术冬季讨论会上被授予“特殊成就奖”。
六、中国人工全合成牛胰岛素的重要历程
·生化所于1958年夏召开高级研究人员会议,提出了人工合成蛋白质的基础理论项目。
·生化所在所内外学术交流等基础上,于1958年12月18日正式确定了人工合成胰岛素项目。
·人工合成胰岛素项目被列入1959年国家科研计划,并获得国家机密研究计划代号“601”。
·生化所以科学家们的专长领衔,进行人工合成胰岛素前期的兵分五路探索。
·人工合成胰岛素的关键科学问题之一是“三对二硫键能否正确连接形成有活性的蛋白质构象”。
·生化所在1959年取得了天然胰岛素拆合成功,既回答了上述关键科学问题,又确定了全合成胰岛素的研究策略。
·人工合成胰岛素的另一关键科学问题是“能否有机合成长度达21个氨基酸的A肽链和长度达30个氨基酸的B肽链”。
·生化所在1959—1960年间已将胰岛素B链的所有30个氨基酸分别连接成了各种合成肽,最长已达到10个氨基酸的长度。
·实际上有机合成胰岛素的A、B肽链涉及大量的实验设计,非简单堆肽可成。几个月“大兵团作战”的规模性探索,最终没能合成出胰岛素的A、B肽链。
·生化所王应睐所长于1960年向中科院建言,集中精干专业队伍推进人工合成胰岛素工作,得到国家和中科院领导的全力支持。
·生化所于1961年组织近20人的精干专业队伍,继续胰岛素的B肽链合成和提高胰岛素拆合水平。
·生化所、有机所、北京大学于1963年8月再次协作,推进人工合成胰岛素工作。
·生化所于1964年8月成功合成了30个氨基酸的牛胰岛素B肽链,其后与天然胰岛素的A肽链重组折叠获得了活性胰岛素。
·有机所与北京大学于1965年5月成功合成了21个氨基酸的牛胰岛素A肽链,由生化所将其与天然B肽链重组折叠获得活性胰岛素。
·1965年6月以后进行反复的人工合成牛胰岛素A、B肽链的组合与折叠,直至达到具有完整的生物活性。
·1965年9月17日,观察到人工全合成牛胰岛素的结晶。
·国家科学技术委员会组织了两次人工全合成结晶牛胰岛素鉴定会。
1955年,当桑格第一次阐明胰岛素化学结构的时候,英国的《自然》杂志预言,“合成胰岛素将是遥远的事情”。但是,谁能想到,仅仅三年的时间,中国人就敢于作出跨越“遥远”的决定。正如生化所王应睐所长所说,要我们攀登的“珠峰”不是一座,也不是几座。我们闯过了许多异乎寻常的难关,做了前人所没有做的事情。
[作者:中国医学论坛报 扈妍,审阅:中科院分子细胞科学卓越创新中心(生化与细胞所)]